千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統設計

林瑜

摘 要： 千兆以太網高速數據的傳輸經常出現超負荷現象，為解決這一問題，設計兼顧吞吐量、應用兼容性和獨立處理能力的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統。系統的負荷監控模塊主要進行千兆以太網高速數據傳輸的超負荷檢測，并給出超負荷數據的數據特征。負荷監管模塊根據該數據特征，為其選取較為合理的超負荷縮減方式，主要有單相監管、旁路監管和混合監管。單相監管進行數據特征單一負荷的縮減工作；旁路監管進行數據特征復雜負荷的縮減工作；混合監管將單相監管和旁路監管的特點融合，是系統的默認超負荷縮減方式。系統實現部分給出了系統監控結果傳輸代碼，以及監控服務器顯示流程圖。經實驗驗證可知，所設計的系統擁有吞吐量和應用兼容性高、獨立處理能力強的特點。

關鍵詞： 千兆以太網； 高速數據傳輸； 超負荷監控系統； 吞吐量

中圖分類號： TN948.64?34； TN912.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0144?04

Abstract： In order to solve this problem that the Gigabit Ethernet high?speed data transmission often appears in the overload phenomenon， an overload monitoring system for the Gigabit Ethernet high?speed data transmission was designed， which takes account of the throughput， application compatibility and independent processing capacity. The load monitoring module of the system is used to detect the overload of the Gigabit Ethernet high?speed data transmission， and give the data characteristics of the overload data. The load supervision module selects a reasonable overload reduction mode for itself according to the data characteristics， including the single?phase supervision， bypass supervision and mixed supervision. The single?phase supervision performs the single load reduction for the data characteristics. The bypass supervision performs the complex load reduction for the data characteristics. The mixed supervision is a default overload reduction mode of the system， which fuses the characteristics of the single?phase supervision and bypass supervision. The transmission code of the system supervision result and display flow chart of the supervision server are given in the third part of this paper. The experimental verification results show that the system has the characteristics of high throughput， high application compatibility and strong independent processing capacity.

Keywords： Gigabit Ethernet； high?speed data transmission； overload monitoring system； throughput

0 引 言

電子科技的不斷發展使人們的生活愈加豐富多彩，而各領域對電子科技成果的需求也越來越高，千兆以太網應運而生。近年來，千兆以太網高速數據的傳輸經常出現超負荷現象，以往僅借助中央處理器進行傳輸監控的系統漸漸被淘汰。千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的產生，正逐漸解決這一問題[1?3]。但以往設計的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統局限性較強，人們期盼著性能更高的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的產生[4?5]。

之前設計的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的吞吐量和應用兼容性不高、獨立處理能力不強，如文獻[6]設計基于Web的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統，該系統作為較為早期的設計成果，能夠通過Web網頁對千兆以太網的高速數據傳輸負荷進行解析和顯示。該系統的各項性能雖不高，但卻為后期的設計指引了方向。文獻[7]設計基于同步機器人的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統，該系統是對文獻[6]中系統的改進，其利用機器人的可移動性能，增強了系統的應用兼容性和獨立處理能力，但由于機器人的存儲量有限，故該系統的吞吐量不高。文獻[8]設計基于單片機的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統，該系統在千兆以太網高速數據傳輸通道上加入單片機，利用單片機體積小、處理能力強的特點，對數據傳輸負荷進行實時、高效監控和處理，在各領域的應用中發揮了重要作用。但該系統的吞吐量仍需進一步提升。文獻[9]提出基于INET?CNC的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統，該系統在Web 服務器中加入INET?CNC軟件，INET?CNC軟件能夠使系統在無人為操作的情況下，自動進行千兆以太網高速數據傳輸負荷的監控。整個系統的吞吐量和獨立處理能力較高，但應用兼容性不高。

為了解決上述系統存在的局限性，設計出一種兼顧吞吐量、應用兼容性和獨立處理能力的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統，以滿足人們日益增長的需求。

1 千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統設計

1.1 系統整體架構設計

千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統由負荷檢測模塊、負荷監管模塊和監控服務器組成，如圖1所示。

圖1中的負荷檢測模塊利用處理器、檢測器和負荷資料庫對以太網高速數據傳輸的負荷情況進行檢測，將超負荷的高速傳輸數據傳給負荷監管模塊進行超負荷縮減，最終的監控結果將反饋給監控服務器，供用戶查看、使用。

1.2 負荷檢測模塊設計

負荷檢測模塊主要進行千兆以太網高速數據傳輸的超負荷檢測，并確定負荷的數據特征。該模塊所進行的工作是千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的基本流程，負荷檢測工作的準確性直接影響著系統的獨立處理能力。

負荷檢測模塊由處理器、檢測器和負荷資料庫組成，處理器進行千兆以太網高速數據傳輸負荷的篩選工作，其將超負荷的傳輸通道篩選出來傳遞給檢測器。檢測器利用英寸技術，專門針對超負荷傳輸通道進行數據超負荷檢測。英寸技術首先將檢測出的負荷量較大的數據，通過負荷資料庫確定該數據的特征類型，進而實現超負荷縮減。若縮減后的負荷仍會造成傳輸超負荷，檢測器則繼續按照由大至小的順序檢測傳輸負荷量，最終將傳輸通道的超負荷狀態調至正常狀態。圖2是檢測器與負荷資料庫接口電路示意圖。

由圖2可知，負荷檢測模塊的檢測器能夠向負荷資料庫發送傳輸控制指令，即負荷資料庫應在控制指令的監控下進行工作，檢測器也會為其工作計時。與此同時，負荷資料庫根據互補晶體邏輯，對自身的工作進行計時，并將計時結果傳回檢測器，進行兩種計時的對比，最終得出最為準確的計時結果。

傳輸控制指令里主要包含負荷識別、數據傳輸控制和數據特征標準協議。因此，在負荷資料庫中，只有符合數據特征標準協議的數據，其傳輸負荷才能夠被識別和控制。這樣設計能夠在一定程度上排除處理器的處理誤差，提高了千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的獨立處理能力。而且，負荷資料庫中的數據是不斷更新的，可間接提高系統吞吐量。

檢測器與負荷資料庫的接口電路主要由緩沖器和協議收發器組成。由于千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的存儲能力有限，故緩沖器的加入避免了高速數據傳輸負荷的傳輸擁堵。協議收發器能夠對數據特征標準協議進行識別和傳輸，排除系統在不正常工作狀態下，數據特征標準協議中信息被非法修改的情況。經負荷資料庫處理后的傳輸負荷將傳輸到負荷監管模塊進行超負荷縮減。

1.3 負荷監管模塊設計

負荷監管模塊的工作由負荷標準監管和監控結果監管兩部分組成，負荷標準監管給予傳輸負荷標準處理方案，負荷監管模塊根據該方案對傳輸負荷進行縮減。監控結果監管對負荷標準監管的結果進行解析、匯總和存儲，其主要解析工作是查詢監控結果的內存狀態和信息亂碼率，解析結果將匯總后生成報表并存儲。用戶不能對解析進程進行人為干預，但可以手動寫入新的解析語言，也能夠對所生成的報表進行修改。

負荷監管模塊對超負荷縮減工作的監管方式有三種，分別是單相監管、旁路監管以及混合監管。負荷監管模塊會為傳輸負荷自動選擇較為適合的監管方式，以提高千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的吞吐量和獨立處理能力。單相監管配置圖如圖3所示。

由圖3可知，對于數據特征比較單一的負荷，負荷監管模塊會為其選擇單相監管。單相監管的負荷處理設備直接通過路由器與用戶的監控服務器相連，其特點是效率高，主要表現在收發負荷數據快、處理速度快兩方面，能夠最大化地提高千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的吞吐量和獨立處理能力。但單相監管存在傳輸安全性不高、線路易發生故障等缺點，故在進行數據特征較為復雜的超負荷縮減工作時，應選擇旁路監管，如圖4所示。

由圖4可知，旁路監管在單相監管的基礎上，于各傳輸通道上安裝了負荷監管器和負荷分流器。負荷監管器能夠對傳輸通道進行檢測和控制。一旦檢測出傳輸通道的損傷或擁堵，負荷監管器便會在第一時間采取相應的手段進行控制，并將傳輸通道的狀態發送給用戶。負荷分流器的設計本質是為了避免傳輸通道的擁堵，但是實際應用中，負荷監管器也會在傳輸通道損傷和擁堵的情況下，臨時調用負荷分流器將不正常傳輸通道上的傳輸負荷合理分配到其他傳輸通道中。

旁路監管能夠完成所有數據特征的超負荷縮減工作，獨立處理能力較強，但其工作效率不如旁路監管。在千兆以太網高速數據的傳輸中，數據特征往往并不能單純依靠其復雜程度衡量，故常將旁路監管和單相監管的特點相融合，構成混合監管。圖5是混合監管配置圖。如圖5所示，混合監管在融合旁路監管和單相監管優點的同時，克服了兩種方式的各自缺陷。如用戶無特殊要求，負荷監管模塊的監管方式將默認為混合監管。

混合監管在旁路監管的基礎上設計了后臺服務器，其作用是對傳輸負荷進行特征識別，將傳輸負荷合理分配給旁路監管和單相監管。當負荷監管模塊進行單相監管時，后臺服務器將關閉負荷監管器和負荷分流器，并對單相監管實施流程控制，保證其運行安全性；當模塊進行旁路監管時，后臺服務器將提供控制策略（包括P2P下載和上傳策略、負荷分流策略等）以提高其處理效率。

2 千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統實現

2.1 監控結果傳輸代碼設計

監控服務器通過路由器接收千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的最終監控結果，用戶可利用監控服務器在網頁上實時查看監控結果。路由器傳輸監控結果的代碼設計如下：

Read_Monitor Results（）；

//路由器讀取監控結果

Deferblack（0x000006B）； //緩沖

Monitor Results=Monitor Results_16c21（）；

//采集監控結果

Difference analysis Amount（230，178，Monitor Results，Black，White）；

x_0=y[1]； //系統初次電壓監控

Per1 = （x_0*100/2048）； //計算電壓標準差值

Electric tension1 = Per1*21；

x_1=y[2]； //系統二次電壓監控

Electric tension2=（x_1*100/2048）*21；

Difference analysis Amount（230，198，Electric tension2，Black，White）；

x_2=y[3]； //系統三次電壓監控

Electric tension3=（x_2*100/2048）*21；

Difference analysisAmount（230，218，Electric tension3，Black，White）；

2.2 監控服務器顯示流程設計

千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統軟件提供的監控服務器顯示流程圖如圖6所示。

由圖6可知，監控服務器顯示系統監控的流程為：監控服務器在接收監控結果前，軟件先對監控服務器進行初始化，再進行監控結果的讀取工作。為了令監控結果能夠較為完整地顯示在監控服務器上，需對監控結果的格式進行轉換。當監控結果讀取接收后，軟件會初始化數據包，再調用數據包對監控結果進行打包處理，將監控結果的格式轉換成用戶所選格式。若用戶所選格式不能直接被監控服務器接收，軟件將發出控制指令，為監控服務器下載顯示數據包，再進行顯示；若能夠直接接收，則直接對監控結果進行顯示。

3 實驗驗證

根據設計初衷，對本文所設計的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統依次進行吞吐量、應用兼容性以及獨立處理能力的驗證實驗。

各界對千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的吞吐量要求較高，吞吐量也是保證系統實現超負荷合理監控的基礎。在吞吐量驗證實驗中，實驗選擇的對比實驗對象是基于INET?CNC的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統，實驗結果如表1所示。

由表1可知，本文系統的吞吐量高于基于INET?CNC的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統的吞吐量。表1中的并發連接數代表系統的吞吐能力，可見，本文系統的超高吞吐量并未影響到自身吞吐能力，驗證了本文系統吞吐量高的特點。

為驗證本文系統的應用兼容性，實驗隨機選取了6種以太網常用軟件，本文系統對這6種軟件的判斷能力越高、數據超負荷識別誤差越小，系統的應用兼容性就越高。本文系統應用兼容性實驗結果如表2所示。

由表2可知，本文系統對上述6款軟件的判斷能力均高于95%，且不存在識別誤差，驗證了本文系統應用兼容性高的特點。

在獨立處理能力的驗證中，實驗將系統對上述6種軟件的獨立處理能力輸出，并額外選取了2種不常用的以太網軟件進行了實驗，將實驗結果匯總成曲線圖，如圖7所示。

由圖7能夠清楚地得出，本文系統對常用軟件的獨立處理能力維持在[[1×107]Kb/s，[1.1×107] Kb/s]之間，對不常用軟件平均獨立處理能力也高達[0.97×107] Kb/s，驗證了本文系統獨立處理能力強的特點。

4 結 論

本文設計兼顧吞吐量、應用兼容性和獨立處理能力的千兆以太網高速數據傳輸超負荷監控系統。系統的負荷監控模塊主要進行千兆以太網高速數據傳輸的超負荷檢測，并給出超負荷數據的數據特征。負荷監管模塊根據該數據特征，為其選取較為合理的超負荷縮減方式，主要有單相監管、旁路監管和混合監管。單相監管進行數據特征單一負荷的縮減工作；旁路監管進行數據特征復雜負荷的縮減工作；混合監管將單相監管和旁路監管的特點融合，是系統的默認超負荷縮減方式。系統實現部分給出了系統監控結果傳輸代碼，以及監控服務器顯示流程。經實驗驗證可知，所設計的系統擁有吞吐量和應用兼容性高、獨立處理能力強的特點。

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